宽带隙半导体表面电子结构和磁性研究

摘要

宽禁带半导体材料（Eg>2．3eV）又被称为第三代半导体材料，主要包括金刚石、氮化镓、二氧化钛等。和第一代、第二代半导体材料相比，第三代宽禁带半导体材料具有禁带宽度大、击穿电场强度高、饱和电子漂移速度高、热导率大、介电常数小、抗辐射能力强以及良好的化学稳定性等特点，非常适合于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的光电子器件，在国防军工、生物医学、电子电路、能源存储以及环境保护等方面有着广泛的应用。 然而目前的理论研究还大多局限于块体材料中，对材料表面所具有的电学、磁学等相关性质缺乏较为深入的认识。事实上，宽禁带半导体表面具有很多特有的性质，这些性质对材料的应用起着决定性作用。另外，相应的反应过程也都在表面上进行。本论文基于密度泛函理论，针对以上问题开展了理论研究工作，详细研究了金刚石（100）面、GaN（1010）面和TiO2（110）面的相关性质。结构如下： 第一章分别介绍了金刚石、氮化镓和二氧化钛三种宽禁带半导体相关性质的研究现状，阐明了本论文研究的理论意义和实际意义。 第二章简要介绍了密度泛函理论的基本框架和近年来的理论发展。密度泛函理论的发展以寻找合适的交换关联能量泛函为主线。从最初的局域密度近似（LDA）、广义梯度近似（GGA）到现在的杂化泛函，使计算结果的精确度越来越高。除了改进交换相关泛函，近年来密度泛函理论向动力学平均场和含时等方面的扩展也很活跃，使得密度泛函理论的应用领域不断扩大。 第三章基于密度泛函理论计算，模拟了乙烯分子吸附到金刚石（100）表面的过程，讨论了可能的吸附路径；验证了乙烯与金刚石的成键性质并分析比较了金刚石表面吸附乙烯分子前后的电子态密度，为后续的实验提供了确凿可信的理论依据。 第四章中，分析研究了无杂质掺杂的GaN纳米晶材料出现室温铁磁性的起因，进而分析了GaN表面铁磁耦合的机制。研究结果表明，材料中磁性的产生是由于表面存在Ga空位缺陷造成的。这种由表面空位引发的铁磁耦合机制非常有效，甚至当空位间距离在～8A的时候，仍表现出稳定的室温铁磁性。 第五章中，详细研究了B掺杂TiO2（110）表面的几何构型与电子结构，计算结果显示，硼杂质易与体系中的氧形成稳定的共价键，并导致导致表面产生较大的结构形变和褶皱。另外，硼杂质的掺入，将阻碍表面氧空位的形成。计算得到的电子态密度图表明，只有当结构中出现Ti-B键时，TiO2带隙中才会有局域态产生，从而诱导TiO2对可见光响应。 第六章对本论文的工作进行了总结，并对今后拟开展的工作进行了展望。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号说明

声明

第一章绪论

1.1金刚石材料研究背景及意义

1.2自旋电子学与稀磁半导体材料

1.3可见光光催化半导体材料

参考文献

第二章密度泛函理论基础

2.1第一性原理计算和密度泛函理论的基本概念

2.1.1从波函数到电子密度

2.1.2 Hohenberg-Kohn(HK)定理

2.1.3 Kohn-Sham方程

2.2交换相关能量泛函

2.2.1局域密度近似(Local density approximation，LDA)

2.2.2广义梯度近似(Generalized Gradient Approximation，GGA)

2.2.3杂化密度泛函(Hybdd Density Function)

2.2.4密度泛函理论的修改与扩展

2.3常用软件包简介

参考文献

第三章乙烯分子吸附金刚石(100)表面的理论研究

3.1实验和理论研究背景

3.2计算与方法

3.3.结果与讨论

3.3.1乙烯与金刚石的反应机理

3.3.2激进子单链反应的先决条件

3.3.3电子结构

3.4.本章小结

参考文献

第四章氮化镓纳米晶磁性的研究

4.1实验和理论研究背景

4.2计算方法与模型

4.3结果与讨论

4.3.1结构及稳定性

4.3.2表面电子结构

4.3.3氮化镓表面铁磁耦合机制

4.3.4居里温度估算

4.4本章小结

参考文献

第五章硼杂质对二氧化钛(110)表面光催化性质的影响

5.1实验和理论研究背景

5.2计算方法与模型

5.3结果与讨论

5.3.1硼替位TiO2中的氧原子

5.3.2硼替位TiO2中的钛原子

5.3.3硼位于TiO2间隙中或吸附在TiO2(110)表面上

5.3.4 TiO2表面上桥位氧空位

5.4本章小结

参考文献

第六章结束语

攻读硕士学位发表论文目录和获奖情况

致 谢